In this study, novel bio-inks formulated with horseradish peroxidase, HRP, and some additives were successfully developed for piezoelectric inkjet application. The optimized bio-ink formulation had a reliable jetting performance and maintained the biofunctionality before and after printing. The bio-ink also demonstrated a good storage life for up to 40 days at 4 oC with a negligible loss of biofunctionality. However, it was observed that some additives used in the bio-ink for obtaining necessary operational characteristics had detrimental effects on the enzyme activity. Especially, it was found that various viscosity modifiers typically used in commercial inkjet inks significantly impaired HRP activity prior to printing. Sodium Carboxymethyl Cellulose was shown to be an effective viscosity modifier that had no adverse effect on the biological activity of the HRP enzyme. Using a confocal scanning fluorescent microscope, a method for characterizing the spatial distribution of the active enzyme within the cellulosic paper substrates after inkjet printing was developed. Interestingly, it was found that the active printed HRP enzyme was mostly located in the cell walls of the cellulosic fibers instead of near the pigments or fillers. In an effort to better understand the fundamental interactions between the enzyme and the immobilization substrates, HRP adsorption isotherms on various substrate surfaces were obtained using the depletion method. The substrates included not only pulp fibers with varying degree of hydrophobicity and pigment and latex (the key materials used in papermaking), but also other types of cellulosic fibers of different morphologies, crystallinities, porosities, or surface charge densities. The influence on enzyme adsorption and inactivation behaviour of these substrates was compared with that of polystyrene beads (dialysed), which has been well studied in the literature. Results from this thesis indicated that hydrophobic interactions between the enzyme and the substrate surfaces had a major impact on the HRP adsorption behavior, while electrostatic interactions played a minor role. However, strong hydrophobic interactions could lead to enzyme inactivation. Research findings from this study suggested that cellulosic pulp fibers could be tailor-made into excellent enzyme immobilization supports by using existing fiber surface modification techniques.

In this study, novel bio-inks formulated with horseradish peroxidase, HRP, and some additives were successfully developed for piezoelectric inkjet application. The optimized bio-ink formulation had a reliable jetting performance and maintained the biofunctionality before and after printing. The bio-ink also demonstrated a good storage life for up to 40 days at 4 oC with a negligible loss of biofunctionality. However, it was observed that some additives used in the bio-ink for obtaining necessary operational characteristics had detrimental effects on the enzyme activity. Especially, it was found that various viscosity modifiers typically used in commercial inkjet inks significantly impaired HRP activity prior to printing. Sodium Carboxymethyl Cellulose was shown to be an effective viscosity modifier that had no adverse effect on the biological activity of the HRP enzyme. Using a confocal scanning fluorescent microscope, a method for characterizing the spatial distribution of the active enzyme within the cellulosic paper substrates after inkjet printing was developed. Interestingly, it was found that the active printed HRP enzyme was mostly located in the cell walls of the cellulosic fibers instead of near the pigments or fillers. In an effort to better understand the fundamental interactions between the enzyme and the immobilization substrates, HRP adsorption isotherms on various substrate surfaces were obtained using the depletion method. The substrates included not only pulp fibers with varying degree of hydrophobicity and pigment and latex (the key materials used in papermaking), but also other types of cellulosic fibers of different morphologies, crystallinities, porosities, or surface charge densities. The influence on enzyme adsorption and inactivation behaviour of these substrates was compared with that of polystyrene beads (dialysed), which has been well studied in the literature. Results from this thesis indicated that hydrophobic interactions between the enzyme and the substrate surfaces had a major impact on the HRP adsorption behavior, while electrostatic interactions played a minor role. However, strong hydrophobic interactions could lead to enzyme inactivation. Research findings from this study suggested that cellulosic pulp fibers could be tailor-made into excellent enzyme immobilization supports by using existing fiber surface modification techniques.

The food processing industry requires alternative methods for detecting the foodborne pathogen Listeria monocytogenes that are cheaper and faster than the current methods. Conventional antibodies and their fragments have been used as biorecognition elements in sensors before, but their use is hindered by high production cost and relative instability. These issues are resolved by VHH fragments, derived from the heavy chain-only antibodies found in Camelidae. VHHs are inexpensive to produce, and are more resistant to environmental stressors. This work describes the isolation of phage-displayed VHHs that recognize recombinant Internalin B, a virulence factor characteristic of L. monocytogenes. Clone R303 was chosen for further characterization, and shown to bind full-length Internalin B. Furthermore, immobilized R303 was shown to capture L. monocytogenes cells. This panel of VHHs, particularly R303, can be utilized by colleagues within the Sentinel Bioactive Paper Network to make a viable biosensor for L. monocytogenes. / Sentinel Bioactive Paper Network

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG. / The main objective of this research is the development of a commercial biosensor immobilized on paper surfaces, able to produce a colorimetric signal detected by human sensorial limits. This kind of biosensor could be used, for example, in the detection of toxic substances or pathogens. To achieve this objective, microencapsulated enzymes fixed on paper are proposed. Enzymes are biological catalysts with a high selectivity that can accelerate the speed of some chemical reactions up to a million times. However, the enzymes are very sensitive substances that lose their functionality easily; it is therefore necessary to protect them from conditions that could damage them. Microencapsulation is a technique that protects the enzymes without totally isolating them from their environment. In fact, microencapsulation entraps the enzymes into a micron size sphere, made of a porous polymer which prevents the enzyme to be released but allows the diffusion of its substrate inside. The microencapsulation process consists in making an emulsion containing a polymer dissolved in an aqueous phase with the desired enzyme, and the wall of the microcapsule is formed by adding a crosslinking agent that forms a polymer network at the interface of the emulsion. The crosslinked polymer solidifies and it encloses the enzyme in the interior of the capsule. Thereafter, this kind of microcapsules are used to give biosensor properties to the paper. Blade coating technique is used in order to immobilize the enzyme capsules on paper because it is the most widely used method in the paper industry. The microcapsules are mixed with a coating suspension and applied on sheets of paper. The viscosity parameters of the suspension and those of the coating are optimized to obtain a uniform coating in order to meet the industry standards. Bioactive paper obtained is first studied to assess whether the enzymes are still active or not after all the treatments because, as described above, enzymes are iii very sensitive substances. An enzyme known as laccase is used, which allows an easy evaluation of its activity. Enzymatic activity was evaluated through existing analytical techniques or new analysis techniques developed in the Rochefort lab. The results demonstrate the possibility to transfer microencapsulated enzyme systems onto paper by blade coating, by using large scale settings, with paper surfaces of 0.75 x 3 m2 modified at speeds ranging up to 800 m/min. Biosensors retained their activity, despite a drying process by evaporation of water using an IR lamp of 36 kW. The microencapsulation technique proposed here is an effective technique to increase the storage stability of the biosensor and its resistance to exposure to NaN3, which is a known inhibitor of this biosensor. This research is part of a national effort in order to develop a commercial device called bioactive paper; it is supported by the NSERC research network Sentinel.

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Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs. / Biosensing paper attracts increasing attention due to its benefits of being simple, visible, portable and useful for detecting various contaminants, pathogens and toxins. While there has been no bioactive paper commercialized since glucose paper strips developed in the fifties, many research groups are working to immobilize biomolecules on paper to achieve a bioactive paper that is affordable and has good shelf life. The goal of this research is to develop some highly useful bioactive paper that could, for example, measure blood glucose, or immediately detect and simultaneously deactivate pathogens such as neuraminidase and E.coli. Previously, bioactive paper was produced either through physically absorbing biorecognition elements or printing bio-ink onto paper substrate. Our methodology for fabrication of bioactive paper strips is compatible with existing paper making process and includes three procedures: the fabrication of microcapsules, enzyme or antibody microencapsulation, immobilization of enzymes or antibody-entrapped microcapsules into paper pulp. The first step, in fabricating of bioactive paper strips is to produce biocompatible and inexpensive microcapsules with suitable parameters. To do so, two types of microencapsulation methods were compared; the emulsion method and the vibration nozzle method accomplished with an encapsulator. The parameters for producing optimal microcapsules with both methods were studied. Factors that affect their diameter, wall thickness, shell pore size, encapsulation efficiency and membrane compositions were also discussed. By comparison, microcapsules prepared with poly(ethyleneimine) (PEI) by the emulsion method exhibit properties that were more suitable for enzyme encapsulation and paper making process, whereas the microcapsules prepared by the vibration nozzle method were too big to be immobilized within paper pulp, and had lower encapsulation efficiency, enzymatic activity and productivity. Thus the emulsion method was chosen for subsequent experiments such as enzyme and antibody microencapsulation and bacterial vaginosis (BV) paper preparation. Microcapsules made by the emulsion method were semi-permeable in that the diffusion of substrate and product molecules were allowed freely across the membranes but the encapsulated enzymes would be retained inside. Glucose oxidase from Aspergillus niger (GOx) and laccase from Trametes versicolor (TvL) microcapsules showed high encapsulation efficiency, but the encapsulation process caused a severe decrease in the specific activities of both enzymes. Results from circular dichroism (CD) studies, fluorescence properties, enzymatic activities of free enzymes and Michaelis-Menten behavior demonstrated that the Vmax decrease for GOx was due to the restriction of diffusion across microcapsule membranes with pore size less than 5 nm. The microencapsulation process improved the thermal stability of GOx but decreased that of laccase. Bioactive papers were fabricated either by incorporating microcapsules containing different enzymes or empty microcapsules soaked in substrate and enhancer solution into the paper pulp during the sheet making process. Both the GOx and the BV paper strips underwent a color change in the presence of glucose and potassium iodide, and sialidase from Clostridium perfringens respectively. Some preliminary studies on antibody sensitized microcapsules, in which antibody was either encapsulated within the PEI microcapsules or conjugated to its membranes, were also performed. Our objective was to establish an enzyme immobilization platform based on microencapsulation techniques for paper based biosensors. Even though our current studies only focused on the microencapsulation of two enzymes, TvL and GOx, as well as the bioactive paper preparation, a similar approach can be applied to other enzymes. We believe that this immobilization method can potentially be employed for bioactive paper preparation on an industrial scale.

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs. / Biosensing paper attracts increasing attention due to its benefits of being simple, visible, portable and useful for detecting various contaminants, pathogens and toxins. While there has been no bioactive paper commercialized since glucose paper strips developed in the fifties, many research groups are working to immobilize biomolecules on paper to achieve a bioactive paper that is affordable and has good shelf life. The goal of this research is to develop some highly useful bioactive paper that could, for example, measure blood glucose, or immediately detect and simultaneously deactivate pathogens such as neuraminidase and E.coli. Previously, bioactive paper was produced either through physically absorbing biorecognition elements or printing bio-ink onto paper substrate. Our methodology for fabrication of bioactive paper strips is compatible with existing paper making process and includes three procedures: the fabrication of microcapsules, enzyme or antibody microencapsulation, immobilization of enzymes or antibody-entrapped microcapsules into paper pulp. The first step, in fabricating of bioactive paper strips is to produce biocompatible and inexpensive microcapsules with suitable parameters. To do so, two types of microencapsulation methods were compared; the emulsion method and the vibration nozzle method accomplished with an encapsulator. The parameters for producing optimal microcapsules with both methods were studied. Factors that affect their diameter, wall thickness, shell pore size, encapsulation efficiency and membrane compositions were also discussed. By comparison, microcapsules prepared with poly(ethyleneimine) (PEI) by the emulsion method exhibit properties that were more suitable for enzyme encapsulation and paper making process, whereas the microcapsules prepared by the vibration nozzle method were too big to be immobilized within paper pulp, and had lower encapsulation efficiency, enzymatic activity and productivity. Thus the emulsion method was chosen for subsequent experiments such as enzyme and antibody microencapsulation and bacterial vaginosis (BV) paper preparation. Microcapsules made by the emulsion method were semi-permeable in that the diffusion of substrate and product molecules were allowed freely across the membranes but the encapsulated enzymes would be retained inside. Glucose oxidase from Aspergillus niger (GOx) and laccase from Trametes versicolor (TvL) microcapsules showed high encapsulation efficiency, but the encapsulation process caused a severe decrease in the specific activities of both enzymes. Results from circular dichroism (CD) studies, fluorescence properties, enzymatic activities of free enzymes and Michaelis-Menten behavior demonstrated that the Vmax decrease for GOx was due to the restriction of diffusion across microcapsule membranes with pore size less than 5 nm. The microencapsulation process improved the thermal stability of GOx but decreased that of laccase. Bioactive papers were fabricated either by incorporating microcapsules containing different enzymes or empty microcapsules soaked in substrate and enhancer solution into the paper pulp during the sheet making process. Both the GOx and the BV paper strips underwent a color change in the presence of glucose and potassium iodide, and sialidase from Clostridium perfringens respectively. Some preliminary studies on antibody sensitized microcapsules, in which antibody was either encapsulated within the PEI microcapsules or conjugated to its membranes, were also performed. Our objective was to establish an enzyme immobilization platform based on microencapsulation techniques for paper based biosensors. Even though our current studies only focused on the microencapsulation of two enzymes, TvL and GOx, as well as the bioactive paper preparation, a similar approach can be applied to other enzymes. We believe that this immobilization method can potentially be employed for bioactive paper preparation on an industrial scale.